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鋼絲繩弱磁無損檢測 版權信息
- ISBN：9787030597212
- 條形碼：9787030597212 ; 978-7-03-059721-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
鋼絲繩弱磁無損檢測 內容簡介
《鋼絲繩弱磁無損檢測》針對傳統鋼絲繩電磁無損檢測裝置體積大、現場操作難、檢測精度低等問題，設計了小型化、檢測速度較快、檢測精度較高的鋼絲繩弱磁無損檢測系統，能夠實現鋼絲繩斷絲定量識別，為鋼絲繩的安全使用和剩余壽命估計提供參考。《鋼絲繩弱磁無損檢測》主要講述目前鋼絲繩定量檢測領域的研究現狀以及存在的問題，并針對這些問題提出一些解決方案，包括以下內容：提出剩磁檢測方法和非飽和磁激勵檢測方法，采用磁偶極子理論建立剩磁和非飽和磁激勵下鋼絲繩表面弱磁場分布模型，分析不同斷絲參數對漏磁場的影響，并設計基于弱磁理論的檢測平臺；在漏磁信號降噪方面，提出基于壓縮感知的小波降噪方法、基于集總經驗模態分解的小波降噪法以及基于Hilbert-Huang變換(HHT)的降噪方法；將降噪后的漏磁數據轉化為漏磁圖像，對漏磁圖像進行處理和特征提取，*后提出兩種鋼絲繩定量識別算法。
鋼絲繩弱磁無損檢測 目錄
目錄
前言
第1章緒論1
1.1研究背景及研究目的與意義1
1.2國內外研究現狀5
1.2.1鋼絲繩無損檢測的主要內容5
1.2.2鋼絲繩無損檢測及缺陷識別技術研究現狀6
1.3鋼絲繩電磁檢測方法的問題和發展方向18
1.4本書的主要內容20
參考文獻21
第2章鋼絲繩表面弱磁場分布建模26
2.1引言26
2.2鋼絲繩弱磁檢測的基本原理27
2.3磁偶極子理論28
2.4棒狀弱磁模型29
2.4.1剩磁模型30
2.4.2非飽和磁激勵模型33
2.4.3小缺口模型仿真37
2.4.4外部漏磁場46
2.5模型對比49
2.6本章小結50
參考文獻51
第3章基于弱磁的鋼絲繩檢測平臺設計53
3.1引言53
3.2鋼絲繩弱磁采集系統結構54
3.2.1檢測裝置磁化結構設計54
3.2.2檢測裝置整體結構設計56
3.2.3鋼絲繩實驗平臺58
3.3采集系統硬件系統60
3.3.1HMS傳感器陣列設計61
3.3.2系統電源模塊64
3.3.3編碼器模塊68
3.3.4信號調理模塊69
3.3.5數據存儲模塊71
3.4采集系統軟件系統71
3.4.1系統主程序設計72
3.4.2中斷模塊程序設計73
3.4.3A/D轉換程序設計74
3.5實驗系統原型機75
3.5.1剩磁檢測原型機75
3.5.2非飽和磁激勵檢測原型機76
3.6本章小結77
參考文獻78
第4章鋼絲繩弱磁信號分析與處理技術79
4.1引言79
4.2信號預處理80
4.2.1分段均值基線估計83
4.2.2小波多分辨率分析83
4.2.3弱磁信號中HHT應用95
4.2.4基于EEMD的小波降噪98
4.3壓縮感知降噪研究100
4.3.1壓縮感知理論100
4.3.2基于壓縮感知小波濾波法的鋼絲繩剩磁降噪101
4.4仿真模型與實驗對比驗證104
4.4.1仿真模型與實驗對比104
4.4.2剩磁法與非飽和磁激勵法信號對比106
4.5本章小結108
參考文獻109
第5章鋼絲繩弱磁圖像處理與斷絲缺陷特征提取111
5.1引言111
5.2基于剩磁檢測法的鋼絲繩缺陷圖像處理算法研究112
5.2.1陣列數據的圖像轉換112
5.2.2鋼絲繩剩磁缺陷圖像形態學處理與缺陷定位113
5.2.3缺陷圖像的歸一化與分辨率提升114
5.3基于非飽和磁激勵的鋼絲繩斷絲缺陷圖像處理研究116
5.3.1鋼絲繩多幀非飽和磁激勵圖像的獲取116
5.3.2鋼絲繩缺陷非飽和磁激勵圖像分割與歸一化119
5.3.3基于多幀圖像的非飽和磁激勵缺陷圖像超分辨率重建120
5.4基于弱磁成像的鋼絲繩斷絲缺陷特征提取研究122
5.4.1圖像區域特征122
5.4.2圖像紋理特征124
5.4.3圖像不變矩特征125
5.5本章小結126
參考文獻127
第6章鋼絲繩斷絲缺陷的定量識別技術研究128
6.1引言128
6.2基于BP神經網絡的剩磁識別技術研究128
6.2.1斷絲剩磁圖像識別BP神經網絡設計129
6.2.2BP神經網絡剩磁識別結果131
6.3基于RBF神經網絡的弱磁斷絲圖像識別技術研究133
6.3.1剩余磁場的RBF識別應用研究134
6.3.2非飽和磁場的RBF識別應用研究137
6.4本章小結139
參考文獻140
前言
第1章緒論1
1.1研究背景及研究目的與意義1
1.2國內外研究現狀5
1.2.1鋼絲繩無損檢測的主要內容5
1.2.2鋼絲繩無損檢測及缺陷識別技術研究現狀6
1.3鋼絲繩電磁檢測方法的問題和發展方向18
1.4本書的主要內容20
參考文獻21
第2章鋼絲繩表面弱磁場分布建模26
2.1引言26
2.2鋼絲繩弱磁檢測的基本原理27
2.3磁偶極子理論28
2.4棒狀弱磁模型29
2.4.1剩磁模型30
2.4.2非飽和磁激勵模型33
2.4.3小缺口模型仿真37
2.4.4外部漏磁場46
2.5模型對比49
2.6本章小結50
參考文獻51
第3章基于弱磁的鋼絲繩檢測平臺設計53
3.1引言53
3.2鋼絲繩弱磁采集系統結構54
3.2.1檢測裝置磁化結構設計54
3.2.2檢測裝置整體結構設計56
3.2.3鋼絲繩實驗平臺58
3.3采集系統硬件系統60
3.3.1HMS傳感器陣列設計61
3.3.2系統電源模塊64
3.3.3編碼器模塊68
3.3.4信號調理模塊69
3.3.5數據存儲模塊71
3.4采集系統軟件系統71
3.4.1系統主程序設計72
3.4.2中斷模塊程序設計73
3.4.3A/D轉換程序設計74
3.5實驗系統原型機75
3.5.1剩磁檢測原型機75
3.5.2非飽和磁激勵檢測原型機76
3.6本章小結77
參考文獻78
第4章鋼絲繩弱磁信號分析與處理技術79
4.1引言79
4.2信號預處理80
4.2.1分段均值基線估計83
4.2.2小波多分辨率分析83
4.2.3弱磁信號中HHT應用95
4.2.4基于EEMD的小波降噪98
4.3壓縮感知降噪研究100
4.3.1壓縮感知理論100
4.3.2基于壓縮感知小波濾波法的鋼絲繩剩磁降噪101
4.4仿真模型與實驗對比驗證104
4.4.1仿真模型與實驗對比104
4.4.2剩磁法與非飽和磁激勵法信號對比106
4.5本章小結108
參考文獻109
第5章鋼絲繩弱磁圖像處理與斷絲缺陷特征提取111
5.1引言111
5.2基于剩磁檢測法的鋼絲繩缺陷圖像處理算法研究112
5.2.1陣列數據的圖像轉換112
5.2.2鋼絲繩剩磁缺陷圖像形態學處理與缺陷定位113
5.2.3缺陷圖像的歸一化與分辨率提升114
5.3基于非飽和磁激勵的鋼絲繩斷絲缺陷圖像處理研究116
5.3.1鋼絲繩多幀非飽和磁激勵圖像的獲取116
5.3.2鋼絲繩缺陷非飽和磁激勵圖像分割與歸一化119
5.3.3基于多幀圖像的非飽和磁激勵缺陷圖像超分辨率重建120
5.4基于弱磁成像的鋼絲繩斷絲缺陷特征提取研究122
5.4.1圖像區域特征122
5.4.2圖像紋理特征124
5.4.3圖像不變矩特征125
5.5本章小結126
參考文獻127
第6章鋼絲繩斷絲缺陷的定量識別技術研究128
6.1引言128
6.2基于BP神經網絡的剩磁識別技術研究128
6.2.1斷絲剩磁圖像識別BP神經網絡設計129
6.2.2BP神經網絡剩磁識別結果131
6.3基于RBF神經網絡的弱磁斷絲圖像識別技術研究133
6.3.1剩余磁場的RBF識別應用研究134
6.3.2非飽和磁場的RBF識別應用研究137
6.4本章小結139
參考文獻140
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鋼絲繩弱磁無損檢測 節選
第1章 緒論 1.1研究背景及研究目的與意義 鋼絲繩是由一種具有自發性磁特性的碳素鋼制成的，廣泛應用于工業生產、旅游、煤礦、船舶、起重及相關領域。鋼絲繩通常作為一種提升、牽引部件，具有以下優點[1，2]：①柔曲性好，可以在滾筒上纏繞；②承載能力強、抗壓與抗拉力性能好；③局部小缺陷發生時不會發生驟斷；④自重輕，可以穩定工作于各類惡劣環境中；⑤結構類型多樣化，適用于多種場合。鋼絲繩由繩芯和繩股組成，繩芯通常有金屬芯(獨立鋼絲繩芯、鋼絲股芯 )、纖維芯 (天然纖維芯、尼龍纖維芯 )兩種[1]，繩芯的作用是減小股間壓力和作為繩體支撐，纖維芯可以起到潤滑、防腐蝕和存儲潤滑油的作用。 鋼絲繩使用環境通常比較惡劣，而且工作時間長、使用強度高，因此在鋼絲繩的使用過程中，容易造成銹蝕、磨損、斷絲等局部缺陷。隨著使用時間的延長，鋼絲繩的銹蝕、磨損和疲勞損傷都會演變成斷絲情況，而出現大量的斷絲損傷后，鋼絲繩的承受強度會下降。如果不能及時發現斷絲情況并更換鋼絲繩，鋼絲繩將會整繩斷裂，導致生產事故，危害設備安全和生命財產安全，從而造成巨大的損失和不良的社會影響。因此，自鋼絲繩被使用于工業生產過程和國民生活中以來，其安全性能往往成為關注的重點。科學界對于鋼絲繩的研究聚焦于在安全使用鋼絲繩的情況下延長其在役時間。 資料顯示，生產鋼絲繩的作坊于 17世紀中葉就出現在歐洲，其成品制作比較簡單。1834年，歐洲的奧魯勃特制作出**根鋼絲繩，該鋼絲繩是采用低碳鋼絲捻制的，因此強度不高，承載能力差。經過 20年的改進，鋼絲冶煉中的焙燉熱處理方法(由英國人詹姆斯 豪斯福爾在 1854年申請發明專利，該技術以熔鉛作淬火介質 )被提出，這使得鋼絲繩結構性能、承載能力和抗腐蝕性能都得到了很大的提升[2]。至此，鋼絲繩開始被廣泛地應用于工業現場中，早期的鋼絲繩檢測方法主要以人工目視法為主，通過人工經驗對鋼絲繩使用情況進行判斷以確定是否報廢更換。該方法易受表面油污影響，且無法實現在線檢測和準確的定量判斷；另外，受人工經驗因素影響較大，可靠性與檢測率較低，目前已經被淘汰。早期較常用的避免出現事故的鋼絲繩安全保障模式為定期更換模式，目前許多地方為了保證絕對的安全性依舊采用該模式。但是采用定期更換模式，一方面強度損耗較小的鋼絲繩被提前更換造成巨大的浪費，另一方面在鋼絲繩的使用過程中，若鋼絲繩偶然受到嚴重的損傷，卻未能及時排除該險情將昀終造成安全事故。因此，研究一種有效的檢測辦法對于鋼絲繩的安全使用是非常必要的。本書的研究意義在于以下幾方面[3]。 1. 保障鋼絲繩在役安全 鋼絲繩的使用前提就是其在役時的安全保障，只有保證了它在役期間的安全性能，才可以進一步研究、討論生產成本的降低和系統維護的意義。鋼絲繩在使用過程中不可避免地會出現斷絲、疲勞、磨損和銹蝕等損傷，這些損傷的發生并長期積累昀終將威脅到安全生產活動。鋼絲繩發生斷裂造成的后果非常嚴重，輕則致使生產設備、儀器損壞，重則造成人員傷亡。由鋼絲繩斷裂導致的生產事故時有發生。例如， 2013年 11月 8日，國內某鉆井平臺進行水下日常維護檢查工作，檢查完畢后檢查機器人回收過程中發生鋼絲繩驟斷，導致機器受損，1人受傷； 2015年 1月 8日，75T場地班組在對瀘州胡市收費站主拱桁橋進行翻身作業時發生鋼絲繩當場扯斷的事故，所幸未造成人員傷亡，施工現場的設備、構件也未發生損壞；2016年 4月 6日，某商貿綜合樓在建設中使用的簡易龍門架吊籃由于使用已經達到報廢標準的鋼絲繩，在使用過程中鋼絲繩突然發生斷裂，昀終導致 1死 1傷；2017年 3月 9日，黑龍江省龍煤集團雙鴨山礦業公司東榮二礦副立井的多繩摩擦輪絞車在提升過程中鋼絲繩突發斷裂引發墜罐，造成罐籠中的 17人被困。2010年 12月 29日，美國緬因州滑雪場鋼絲繩斷裂，纜車中 200余人被困空中，9人受傷；2004年 12月 29日，瑞士的雪朗峰索道鋼絲繩斷裂導致 53名游客被困；2003年印度發生多起索道鋼絲繩斷裂事故，致使 11人死亡，近 50人受傷。從國內到國外，鋼絲繩的使用范圍涵蓋了吊裝、電梯、冶煉、纜車、索道、煤礦以及船舶業，鋼絲繩斷繩事故時有發生，一旦發生斷繩事件，將會產生嚴重的社會影響，因此，在役鋼絲繩的使用性能、安全保障備受重視。 國內外為了避免斷繩事故發生，對各個鋼絲繩行業中鋼絲繩的安全使用提出了一系列標準，其中包括鋼絲繩的生產標準、驗收合格標準、使用規范標準、檢測儀器標準和報廢標準。由于缺乏快速統一的檢測評價標準，市場上已有的鋼絲繩檢測儀器性能并不能夠滿足眾多工業應用環境的要求，此外，部分檢測儀器的現場使用可靠性比較低，抗干擾能力差。因此，在很多生產現場中結合人工目視檢查與定期更換繩體的辦法成為主要的鋼絲繩安全使用管理方法，但是依舊無法有效地減少突發性故障。研制出一種通用性強、檢測準確率高、實時處理能力強的鋼絲繩檢測儀器，可以有效地避免鋼絲繩在使用中發生斷裂事故，從而保障相關生產活動的安全。 2. 降低鋼絲繩使用成本 由于缺乏有效、可靠的鋼絲繩剩余壽命預判手段，采用定期更換服役鋼絲繩是一種常用的安全保障方法，但是該方法依舊無法避免概率事件導致的鋼絲繩斷裂，并且大部分被更換的鋼絲繩并沒有達到廢棄標準，可以繼續服役一段時間，因此造成了極大的浪費。美國研究人員對鋼絲繩現場使用情況統計與實驗室統計結果表明[4]：在役鋼絲繩中，約有 10%的鋼絲繩有潛在斷裂危險，性能狀態表現為危險的只有 2%。在定期強制性更換的鋼絲繩中，約有 70%的鋼絲繩不存在較大損傷或無損傷，這部分鋼絲繩完全可以繼續使用。日本的相關統計結果表明[4]：一半以上強制退役的鋼絲繩承載強度可以達到新制鋼絲繩的 90%以上，相當于這些強制報廢鋼絲繩還未度過使用磨合期就被更換掉。對在役鋼絲繩采取定期添加潤滑劑、油脂等保養措施以降低鋼絲繩銹蝕速度，同時采用科學的無損在線檢測方法對鋼絲繩進行性能測試，建立合理的報廢時間制度，這樣可以在很大程度上節省鋼絲繩使用量，同時保證鋼絲繩生產環境的安全可靠。 3. 在役鋼絲繩的高效保養 服役鋼絲繩必須有定期保養、檢查制度，以保障其安全性，排除潛在的危險。除了依據表面潤滑劑依附量來添加潤滑劑，降低其銹蝕速度，還應該定期對鋼絲繩的損傷狀況進行檢測。不同行業中的鋼絲繩使用強度不一樣，各國家也依據本國使用情況出臺了不同的檢測間隔明確要求，例如，對重大生產和要求高的煤礦行業需要實行日檢，對使用率較低、使用強度較低的電梯實行月檢，以及對其他行業進行周檢、年檢和不定時著重檢測。目前，眾多領域內的主要檢測手段依舊以人工目視為主，這種方法的弊端體現在以下方面：①檢測率低，人工目視法以視覺為主，觸覺為輔，只能對鋼絲繩表面損傷進行檢測，檢測速度慢，耗時長，工作量大；②要求檢測人員具有較高的職業素質，需要對不同工作環境下的鋼絲繩受損源頭比較熟悉，并且對檢測人員的訓練周期較長，對鋼絲繩的剩余強度判斷需要依據檢測人員的個人經驗，具有很大的人為因素；③無法對鋼絲繩的內部損傷和易受油污覆蓋的小間距損傷進行檢測，檢測的可靠性不高。 采用儀器結合智能檢測技術可以很好地克服以上缺點，全面提升系統的檢測效率，保障檢測的可靠性和連續性，減小斷繩事故的發生率，提高生產效率，降低鋼絲繩使用成本。一方面，在役鋼絲繩所承受的負載是動態變化的，因此要求檢測儀器進行在線檢測時能夠隨著鋼絲繩張力的變化對其剩余強度做出實時評估；另一方面，使用中的鋼絲繩不同類型缺陷的積累導致鋼絲繩強度不斷降低，因此要求能夠實時檢測剩余鋼絲繩強度，才能在事故發生前提醒操作人員更換鋼絲繩避免事故的發生。實現鋼絲繩在線無損檢測，同時建立完善的鋼絲繩壽命評估體系和科學的安全運行檢測標準，為進一步無誤地評估鋼絲繩安全狀態提供合理的指示信息，對目前已有的檢測儀器進行進一步的小型化、實時化、智能改進化，確保服役鋼絲繩的安全和可靠具有重要的研究價值。鋼絲繩無損檢測技術是一個跨學科的綜合性課題，涉及電磁場、信號獲取、信號處理、信號分析和模式識別等領域。鋼絲繩無損檢測技術的理論與技術研究成果也可以推廣至其他相近的應用背景，如運輸管道、油氣罐和架設橋梁等，具有同樣的指導意義和重要的應用推廣價值。 1.2國內外研究現狀 1.2.1鋼絲繩無損檢測的主要內容 鋼絲繩損傷可由三個方面組成[5]：①金屬截面損失(loss of metallic area，LMA)，表現為內外部磨損、銹蝕、繩股斷裂、繩徑局部減小或繩徑局部增大(由于繩芯畸變導致半徑局部變化)等；②局部損傷(local fault，LF)，表現為斷絲、裂紋、點蝕、鍍層開裂脫落、麻點、繩端斷絲等；③結構損傷 (structure fault，SF)，表現為鋼絲繩變形、股芯外露、股間隙不均勻、捻距不均勻、繩芯外露等。在鋼絲繩的使用當中出現的損傷情況昀多的為 LMA與 LF，這兩類損傷普遍存在于各種鋼絲繩的使用中，并且相對于 SF更難被人工目視法發現，因此在鋼絲繩檢測設備的研制過程中，以實現檢測和定量化 LMA與 LF為主要目的。 鋼絲繩缺陷無損檢測技術包括缺陷的定位和定量分析兩部分。其中缺陷的定位研究應該實現 LF與 LMA的周向和軸向精確定位；而缺陷的定量分析要實現缺陷的定量描述，如斷絲數量、磨損面積、鋼絲銹蝕量等。對于鋼絲繩的定位問題，傳統的感應線圈檢測頭只能測量得到鋼絲繩表面軸向的磁通和，因而只能對軸向的缺陷進行定位，對于軸向同一位置的多個缺陷無法實現多損傷定位分析。采用成像技術可以很好地克服該缺點，可以通過射線照相、紅外成像、表面磁成像、渦流成像、超聲波成像和光學成像等方式來獲取表面不同位置的缺陷響應，利用信號數據的處理與分析獲取缺陷具體的周向與軸向位置信息。另外，實現鋼絲繩剩余強度定量分析非常困難，原因如下：一方面，鋼絲繩單一檢測方法受其自身檢測理論和檢測技術限制，難以對鋼絲繩多種類型的缺陷損傷實現有效的檢測。另一方面，鋼絲繩自身結構極其特殊且工作環境復雜，具體表現為 [6]：①市場上沒有統一結構的鋼絲繩，而鋼絲繩的捻制方法不同，檢測獲得的信號也不盡相同；②在役鋼絲繩工作環境差，可操作空間小，對檢測裝置的便攜性能要求高，同時背景干擾復雜，繩體表面通常也會因附著油污、泥沙等產生噪聲干擾；③缺乏一種統一的缺陷評估標準，與不同的檢測儀器廠商和鋼絲繩的具體應用環境產生缺陷的方式相關，行業內沒有統一的缺陷樣繩制作標準，從而無法形成一致的評估體系。因此，只有對鋼絲繩的制作、運輸過程、形成缺陷源頭、缺陷的典型類型具備全面的認知，才可研制出一種有效的檢測機制，從原理上找到一種操作簡便、結構簡單、成本低、敏感度高的在線檢測方法，并且進行相應的形成原理和實驗結果吻合度研究，為檢測方法提供相應的理論和技術支持，從而實現鋼絲繩缺陷的定量識別，進行實時的鋼絲繩在役狀態監測、評估，避免斷裂事故的發生。 1.2.2鋼絲繩無損檢測及缺陷識別技術研究現狀 查閱國內外關于鋼絲繩無損檢測的文獻和相關專利標準[5]，已有的鋼絲繩剩余強度和缺陷檢測方法有十幾種之多，其中具有代表性的方法可劃分為電磁法、輻射法、聲學法、光學法、力學法五類 [7]。自從世界上**臺鋼絲繩無損檢測儀器于 1906年由南非 McCann和 Colson研制出來[3]，經過國內外學者 100余年的不斷探索和研究已經有了不少成果。 1. 電磁檢測法的發展與現狀 世界上**臺鋼絲繩電磁無損檢測儀器采用交流磁化方式，首先將磁化線圈纏繞于鋼絲繩表面，用鋼絲繩作為電感鐵芯，在鋼絲繩的另一端纏繞上線圈進行互感檢測，其設計原理如圖 1-1所示。當線圈在鋼絲繩表面移動時，電感鐵芯的金屬截面發生變化，導致磁化線圈與感應線圈之間的阻抗發生變化，記錄感應線圈中的動態感應電動勢可以定性地表現出鋼絲繩的 LMA情況。由于該方法采用交流線圈進行磁化感應而被稱為交流法[4]。這種方法由
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